《物联网白皮书》--物联网及能源产业：是谜团还是契机

物联网这个名词听起来像是最新的技术浪潮，不过其实早在1999年就已经出现；当时研究人员的想法，是利用RFID卷标追踪大型的物体网络。这项概念演进发展，大量导入智能连网装置，而Cisco这家主要的连网设备厂商，目前将物联网定义为物体 (也就是“物”) 连网数量超越人口数的时间点。Cisco甚至预测到了2020 年，将有500亿台装置连上互联网。

这类装置相互搭配运作，传送数据至云端型应用程序，透过巨量数据分析来实现价值，这样的愿景就是现今所谓的物联网(IoT)。虽然此项愿景通常与连网消费性产品有关，但也进军其他领域，例如目前的“工业物联网”(IIoT)，利用现场或厂房的数千个传感器提供数据，实时达到最佳生产力及资源使用率，进而实现“工业 4.0”全新工业革命。

本白皮书将探讨 物联网的各项承诺，实作物联网的各项技术和标准，再对比能源产业已经使用的项目，探讨智能电网项目期间发现的各项挑战。本文也将讨论如何撷取及使用现有应用的数据，并仍能符合关键基础设施的安全需求。

定义物联网

物联网定义相当混乱，其中包含大量的应用和技术。连网装置、自动化和软件的各大厂商都加入了这一波浪潮，各界不断大肆宣传这项新型商业契机的作法，使得物联网定义的厘清更加困难。此外，物联网说明内容一般维持在大方向，很少有人从技术层面切入，探讨如何建构 物联网实现所有效益。

标准开发组织 (SDO) 已经组成工作小组，以提出物联网的正式架构。例如 IEEER 已经建立 物联网 计划，将物联网 定义为“由各个内嵌传感器的连网项目所组成的网络”。其中已经提出 140 项以上的相关标准和项目，并组成 IEEE P2413 工作小组负责定义架构，并厘清各 物联网领域、其抽象概念和共通处。

P2413 工作小组已经提出下列物联网IOT 领域：居家和建物、零售、能源、制造、移动及运输、物流、媒体、医疗保健。P2413 以大方向为原则，将架构定义为三个层级，包含应用、网络和数据通讯、感测。

由于大量的智能电子装置 (IED) 部署于变电所及配电网络，因此各界经常将能源产业视为实现 物联网IoT 理所当然的机会目标。不过，讨论内容通常局限于 AMI 及“智能”温控等常见应用。可惜的是，大多未能提及能源产业在智能电网项目中，透过本身连网装置标准型架构所汲取的丰富宝贵经验。

以下将详细探讨各项物联网 概念，说明其中牵涉的技术，并就智能电网计划的工作成果来阐述。

网络联机及数据通讯

►网络联机

物联网的基础概念，是传感器网络将传送数据至各项应用程序，以便为组织或个人创造价值。一般是假设各个传感器将获派独一无二的地址，而数据会透过公共互联网基础设施传输至云端型应用程序。不过，如果有500亿个装置要直接连网，就需要大幅改变装置寻址的方式。

互联网通讯协议原本是设计为研究项目，使用32位的寻址空间，这在当时并不构成问题。此外，地址原本的分配方式相当浪费，造成目前IP地址空间耗尽，在使用目前版本互联网通讯协议IPv4的情况下，已经没有未指派公共IP地址的区块。

到目前为止，这项限制并未阻止互联网成长，因为大部分计算机和连网装置并不需要公共IP地址，而是使用私人IP地址，透过执行网络地址转换 (NAT) 的路由器存取互联网。NAT 不仅降低对个别公共地址的需求，也提供安全层，只有对外的路由器具有公共 IP 地址，而无法由外部直接存取私人地址范围之中的装置或计算机。

然而，必须要有使用更大的地址空间，才有可能实现500亿台个别寻址装置的物联网愿景。新版标准也就是所谓的IPv6，使用 128 位寻址空间，理论上能够提供2128或约3.4×1038个地址，足以因应所有可预见的应用需求。

现代计算机操作系统一般可支持 IPv4 及 IPv6，不过，制程控制、自动化及保护使用的 IED，一般并不支持 IPv6。这类装置可执行特定作业，满足非常严峻的成本要求及环保规范。为了因应这类要求所使用的电子装置，只能提供非常有限的运算能力和内存。此外，装置设计人员将重点放在装置功能，通常仅实作最低限度的通讯及安全功能。在自动化领域中，基本上已采用网络联机技术来取代点对点接线。系统之中的装置可透过网络互相通讯，不过一般并无法向外联机至互联网。

虽然未来装置厂商最终将转移至 IPv6 寻址，但关键基础设施的组织，绝对会继续控制及限制存取其现场装置。安全从业人员一般认为，使用公共互联网与现场装置通讯，会带来严重的网络安全及服务质量 (QoS) 疑虑。

►通讯

能源产业透过变电所自动化及智能电网项目，获得通讯技术和通讯协议方面的丰富经验。就变电所而言，通讯特性为装置对装置，其中的关键需求为可靠性、低延迟及决定性行为。在能源产业方面，IEC 61850 标准已定义架构保护装置，其基础为使用以太网络传输抽样值及 GOOSE 讯息。以太网络可提供快速的装置对装置通讯，并支持优先级及 QoS。不过即使有了以上功能，其非决定的特质仍然招来质疑。

SCADA/RTU 应用特性可归类为装置对服务器，其时间要求并不像保护那么严格。这在能源产业是透过DNP3、IEC 61870-5-101/104 及 IEC 61850 等通讯协议处理，透过各种LAN及WAN通讯网络传输。

即使其特性可归类为装置对服务器，AMI 应用的时间要求宽松许多。其中一项关键差异是 AMI 控制功能一般不需要及时响应。SCADA 用于控制电气设备，因此需要能够提供可靠及可预测行为的通讯基础设施。另一方面，AMI 等应用执行的控制作业非常少。大部分作业包含定期读取电表读数，电表断线的控制要求非常少。因此 AMI 系统一般使用各种不同的通讯技术，从电力线载波 (PLC) 到各种无线方式，其中许多具有高延迟和低带宽等问题。

这类通讯技术连接至公用设施时，大多利用实作场域网络 (FAN) 的数据集中器，作为网关连往公用设施广域网 (WAN)。智能电网计划[5]也确认及提出各种不同标准和通讯协议，其中包括 IEC 61850。

虽然能源产业中，装置对装置、装置对服务器通讯协议均已充分定义且使用普遍，但是在提供标准化数据给商业应用方面的成果比较少。即使 CIM 和 IEC 61850 已提供互操作性基础，智能电网应用大多仍于专属的厂商独立环境运作。